Выбор 

Теплофизические характеристики и свойства газов. Теплоемкость продуктов полного сгорания в стехиометрическом объеме воздуха Свойства дымовых газов от температуры

Теплота сгорания. Низшая теплота сго­рания сухого газообразного топлива Qf ко­леблется в широких пределах от 4 до 47 МДж/м3 и зависит от его состава - соот­ношения и качества горючих и негорючих

Компонентов. Наименьшее значение Qf у доменного газа, средний состав которого примерно на 30 % состоит из горючих газов (в основном оксида углерода СО) и примерно на 60 % из негорючего азота N2. Наибольшее

Значение Qf у попутных газов, состав кото­рых отличается повышенным содержанием тяжелых углеводородов. Теплота сгорания природных газов колеблется в узком диапазо­не Qf = 35,5…37,5 МДж/м3.

Низшая теплота сгорания отдельных га­зов, входящих в состав газообразных топлив, приведена в табл. 3.2. О методах определения теплоты сгорания газообразного топлива см. раздел 3.

Плотность. Различают абсолютную и от­носительную плотность газов.

Абсолютная плотность газа рг, кг/м3, - это масса газа, приходящаяся на 1 м3 зани­маемого этим газом объема. При подсчете плотности отдельного газа объем его киломо — ля принимают равным 22,41 м3 (как для иде­ального газа).

Относительная плотность газа Ротн пред­ставляет собой отношение абсолютной плот­ности газа при нормальных условиях и анало­гичной плотности воздуха:

Ротн = Рг / Рв = Рг / 1,293, (6.1)

Где рг, рЕ - соответственно абсолютная плот­ность газа и воздуха при нормальных услови­ях, кг/м3. Относительную плотность газов обычно используют для сопоставления раз­личных газов между собой.

Значения абсолютной и относительной плотности простых газов приведены в табл. 6.1.

Плотность газовой смеси pjM, кг/м3, опре­деляется на основе правила аддитивности, согласно которому свойства газов суммиру­ются соответственно их объемной доле в сме­си:

Где Xj - объемное содержание 7-го газа в топливе, %; (рг) ; - плотность j-го газа, вхо­дящего в состав топлива, кг/м3; п- число отдельных газов в топливе.

Значения плотности газообразных топлив приведены в табл. П.5.

Плотность газов р, кг/м3, в зависимости от температуры и давления можно подсчитать по формуле

Где р0 - плотность газа при нормальных ус­ловиях (Т0 = 273 К и р0 = 101,3 кПа), кг/м3; р и Т- соответственно действительное давле­ние, кПа, и абсолютная температура газа, К.

Практически все виды газообразного топ­лива легче воздуха, поэтому при утечке газ скапливается под перекрытиями. В целях безопасности перед пуском котла обязательно проверяют отсутствие газа в наиболее вероят­ных местах его скопления.

Вязкость газов увеличивается с повыше­нием температуры. Значения коэффициента динамической вязкости р, Па-с, можно под­считать по эмпирическому уравнению Сезер — ленда

Таблица 6.1

Характеристики компонентов газового топлива (при t — О °С чр = 101,3 кПа)

Хими­ческая

Молярная масса М,

Плотность

Объемные концентра­

Наименование газа

Абсолютная

Относительная

Ционные пределы воспламенения газа в смеси с воздухом, %

Горючие газы

Пропилен

Оксид углерода

Сероводород

Негорючие газы

Диоксид углерода

Диоксид серы

Кислород

Воздух атмосфери.

Водяной пар

Где р0- коэффициент динамической вязко­сти газа при нормальных условиях (Г0 = 273 К и р0 — 101,3 кПа), Па-с; Т - абсолютная тем­пература газа, К; С - коэффициент, завися­щий от вида газа, К, принимается по табл. 6.2.

Для смеси газов коэффициент динамиче­ской вязкости приближенно можно опреде­лить по значениям вязкости отдельных ком­понентов:

Где gj- массовая доля j-го газа в топливе, %; Цу- коэффициент динамической вязко­сти j-го компонента, Па-с; п - число отдель­ных газов в топливе.

В практике широко применяется коэффи­циент кинематической вязкости V, м2/с, кото­
рый связан с динамической вязкостью р через плотность р зависимостью

V = р/р. (6.6)

С учетом (6.4) и (6.6) коэффициент кине­матической вязкости v, м2/с, в зависимости от давления и температуры можно подсчитать по формуле

Где v0- коэффициент кинематической вяз­кости газа при нормальных условиях (Го = 273 К и р0= 101,3 кПа), м2/с; р и Г- соответственно действительное давление, кПа, и абсолютная температура газа, К; С - коэффициент, зависящий от вида газа, К, принимается по табл. 6.2.

Значения коэффициентов кинематической вязкости для газообразных топлив приведены в табл. П.9.

Таблица 6.2

Коэффициенты вязкости и теплопроводности компонентов газового топлива

(при t = 0 °С ир = 101,3 кПа)

Наименование газа

Коэффициент вязкости

Коэффициент теплопроводности ЫО3, Вт/(м-К)

Коэффициент Сезерленда С, К

Динамический р-106, Па-с

Кинематический v-106, м2/с

Горючие газы

Пропилен

Оксид углерода

Сероводород

Негорючие газы

Диоксид углерода

Кислород

Воздух атмосферный

Водяной пар при 100 °С

Теплопроводность. Молекулярный пере­нос энергии в газах характеризуется коэффи­циентом теплопроводности ‘к, Вт/(м-К). Ко­эффициент теплопроводности обратно про­порционален давлению и увеличивается с по­вышением температуры. Значения коэффици­ента X можно подсчитать по формуле Сезерленда

Где Х,0 - коэффициент теплопроводности газа при нормальных условиях (Г0 = 273 К и Ро = 101,3 кПа), Вт/(м-К); р и Т- соответст­венно действительное давление, кПа, и абсо­лютная температура газа, К; С - коэффици­ент, зависящий от вида газа, К, принимается по табл. 6.2.

Значения коэффициентов теплопроводно­сти для газообразных топлив приведены в табл. П.9.

Теплоемкость газообразного топлива отнесенная на 1 м3 сухого газа, зависит от его состава и в общем виде определяется как

4Л=0 ,01(СН2Н2+Ссос0 +

ССН4СН4 +сСо2сОг +- + сх. Х;), (6.9) где сН2,сС0,сСщ, сС02,…, сх. - теплоем­кости составляющих компонентов топлива, соответственно водорода, оксида углерода, метана, диоксида углерода и /-го компонента, кДж/(м3-К); Н2, СО, СН4, С02, …, Хг--

Теплоемкости горючих составляющих га­зообразного топлива приведены в табл. П.6, негорючих - в табл. П.7.

Теплоемкость влажного газообразного то­плива

Сггтл, кДж/(м3-К), определяется как

<тл = ctrn + 0,00124cHzq йтля, (6.10) где drTn- влагосодержание газообразного топлива,

Взрываемость. Смесь горючего газа с воздухом в определенных пропорциях при наличии огня или даже искры может взо­рваться, т. е. происходит процесс его воспла­менения и сгорания со скоростью, близкой к скорости распространения звука. Взрыво­опасные концентрации горючего газа в возду­хе зависят от химического состава и свойств газа. Объемные концентрационные пределы воспламенения для отдельных горючих газов в смеси с воздухом приведены ранее в табл. 6.1. Наиболее широкими пределами воспламенения обладают водород (4.. .74% по объему) и оксид углерода (12,5…74 %). Для природного газа усредненные нижний и верхний пределы воспламенения составляют по объему соответственно 4,5 и 17 %; для коксового - 5,6 и 31 %; для доменного - 35 и 74 %.

Токсичность. Под токсичностью пони­мают способность газа вызывать отравление живых организмов. Степень токсичности за­висит от вида газа и его концентрации. Наи­более опасными в этом отношении компонен­тами газа являются оксид углерода СО и се­роводород H2S.

Токсичность газовых смесей в основном определяется концентрацией наиболее ток­сичного из присутствующих в смеси компо­нентов, при этом его вредное воздействие, как правило, заметно усиливается в присутствии других вредных газов.

Наличие и концентрацию в воздухе вред­ных газов можно определить специальным прибором - газоанализатором.

Почти все природные газы не имеют запа­ха. Для обнаружения утечки газа и принятия мер безопасности природный газ до поступ­ления в магистраль одорируют, т. е. насыща­ют веществом, имеющим резкий запах (на­пример, меркаптанами).

Теплота сгорания различных видов топли­ва колеблется в широких пределах. Для мазу­та, например, она составляет свыше 40 МДж/кг, а для доменного газа и некоторых марок горючего сланца - около 4 МДж/кг. Состав энергетических топлив также изменя­ется в широких пределах. Таким образом, од­ни и те же качественные характеристики в зависимости от вида и марки топлива могут резко отличаться между собой количественно.

Приведенные характеристики топлива. Для сопоставительного анализа в роли харак­теристик, обобщающих качество топлива, ис­пользуют приведенные характеристики топ­лива, %-кг/МДж, которые в общем виде рассчитывают по формуле

Где хг - показатель качества рабочего топ­лива, %; Q[ - удельная теплота сгорания (низшая), МДж/кг.

Так, например, для расчета приведенной

Влажности зольности серы S„p и

Азота N^p (для рабочего состояния топлива)

Формула (7.1) приобретает следующий вид, %-кг/МДж:

TOC o "1-3" h z KP=Kl GT; (7.2)

4ф=л7е[; (7.3)

Snp =S’/ Єї; (7.4)

^p=N7 Q[. (7.5)

В качестве наглядного примера показа­тельно следующее сопоставление при условии сжигания различных топлив в котлах одина­ковой тепловой мощности. Так, сравнение приведенной влажности подмосковного угля

Марки 2Б (WЈp = 3,72 %-кг/МДж) и назаров-

Ского угля 2Б (W^p = 3,04 %-кг/МДж) показы­вает, что в первом случае количество влаги, внесенной в топку котла с топливом, будет примерно в 1,2 раза больше, чем во втором, несмотря на то, что рабочая влажность у под­московного угля (W[ = 31 %) меньше, чем у

Назаровского угля (Wf= 39 %).

Условное топливо. В энергетике для сравнения эффективности использования топ­лива в различных котельных установках, для планирования добычи и потребления топлива в экономических расчетах введено понятие условного топлива. В качестве условного топ­лива принято такое топливо, удельная теплота сгорания (низшая) которого в рабочем со­стоянии равна Qy T = 29300 кДж/кг (или

7000 ккал/кг).

Для каждого натурального топлива имеет­ся так называемый безразмерный тепловой эквивалент Э, который может быть больше или меньше единицы:

При сгорании углерода топлива в воздухе іпо уравнению (21C+2102 + 79N2=21C02 + 79N2) на каждый объем С02 в продуктах сгорания приходится 79: 21 =3,76 объема N2.

При сгорании антрацита, тощих каменных углей и других видов топ­лива с высоким содержанием углерода образуются продукты сгорания, близкие по составу к продуктам сгорания углерода. При сгорании водорода по уравнению

42H2+2102+79N2=42H20+79N2

На каждый объем Н20 приходится 79:42 = 1,88 объема азота.

В продуктах сгорания природного, сжиженного и коксового газов, жидкого топлива, дров, торфа, бурого угля, длиннопламенного и газо­вого каменного угля и других видов топлива со значительным содержа­нием водорода в горючей массе образуется большое количество водя­ного пара, иногда превышающее объем С02. Присутствие влаги в топ-

Таблица 36

Теплоемкость, ккал/(мЗ. °С)

Ливе, естественно, повышает содержание водяного пара в продуктах сгорания.

Состав продуктов полного сгорания основных видов топлива в сте — хиометрическом объеме воздуха приведен в табл. 34. Из данных этой таблицы видно, что в продуктах сгорания всех видов топлива содер­жание N2 значительно превышает суммарное содержание C02-f-H20, а в продуктах сгорания углерода оно составляет 79%.

В продуктах сгорания водорода содержится 65% N2, в продуктах сгорания природного и сжиженного газов, бензина, мазута и других ви­дов углеводородного топлива его содержание составляет 70-74%.

Рис. 5. Объемная теплоемкость

Продуктов сгорания

4 - продукты сгорания углерода

5 - продукты сгорания водорода

Среднюю теплоемкость продуктов полного сгорания, не содержащих кислорода, можно подсчитать по формуле

C = 0,01(Cc02C02 + Cso2S02 + C„20H20 + CN2N2) ккал/(м3-°С), (VI. 1)

Где Сс0г, Csо2, СНа0, CNa - объемные теплоемкости двуокиси углеро­да, сернистого газа, водяного пара и азота, а С02, S02, Н20 и N2 - со­держание соответствующих компонентов в продуктах сгорания, % (объемн.).

В соответствии с этим формула (VI. 1) приобретает следующий вид:

C=0,01.(Cc02/?02 + CHj0H20-bCNi! N2) ккал/(м3«°С). (VI.2)

Средняя объемная теплоемкость С02, Н20 и N2 в интервале темпера­тур от 0 до 2500 °С приведена в табл. 36. Кривые, характеризующие из­менение средней объемной теплоемкости этих газов с повышением тем­пературы, показаны на рис. 5.

Из приведенных в табл. 16 данных и кривых, изображенных на рис. 5, видно следующее:

1. Объемная теплоемкость С02 значительно превосходит теплоем­кость Н20, которая, в свою очередь, превышает теплоемкость N2 во всем интервале температур от 0 до 2000 °С.

2. Теплоемкость С02 возрастает с увеличением температуры быстрее, чем теплоемкость Н20, а теплоемкость Н20 быстрее, чем теплоем­кость N2. Однако, несмотря на это, средневзвешенные объемные тепло­емкости продуктов сгорания углерода и водорода в стехиометрическом объеме воздуха мало различаются .

Указанное положение, несколько неожиданное на первый взгляд, обусловлено тем, что в продуктах полного сгорания углерода в воздухе на каждый кубический метр С02, обладающей наиболее высокой объ­емной теплоемкостью, приходится 3,76 м3 N2 с минимальной объемной

Средние объемные теплоемкости продуктов сгорания углерода и водорода в теоретически необходимом количестве воздуха, ккал/(м3-°С)

Теплоемкость продуктов сгорания

Среднее значение теплоемкости продук­тов сгорания углерода и водорода

Отклонения от среднего значения

Процент отклонения ДС 100

Углерода

Водорода

Теплоемкостью, а в продуктах сгорания водорода на каждый кубический метр водяного пара, объемная теплоемкость которого меньше, чем у СОг, но больше, чем у N2, приходится вдвое меньшее количество азота (1,88 м3).

В результате этого средние объемные теплоемкости продуктов сгора­ния углерода и водорода в воздухе выравниваются, как видно из дан­ных табл. 37 и сопоставления кривых 4 и 5 на рис. 5. Различие в сред­невзвешенных теплоємкостях продуктов сгорания углерода и водорода в воздухе не превышает 2%. Естественно, что теплоемкости продуктов сгорания топлива, состоящего в основном из углерода и водорода, в стехиометрическом объеме воздуха лежат в узкой области между кри­выми 4 и 5 (заштриховано на рис. 5)..

Продукты полного сгорания различных видог; топлива в стехиомет­рическом воздухе в интервале температур от 0 до 2100 °С имеют сле­дующую теплоемкость, ккал/(м3>°С):

Колебания в теплоемкости у продуктов сгорания различных видов топлива сравнительно невелики. У твердого топлива с высоким содер­жанием влаги (дрова , торф, бурые угли и т. д.) теплоемкость продук­тов сгорания в том же температурном интервале выше, чем у топлива с малым содержанием влаги (антрацита, каменных углей, мазута, при­родного газа и т. д.). Это объясняется тем, что при сгорании топлива с высоким содержанием влаги в продуктах сгорания повышается содер­жание водяного пара, обладающего более высокой теплоемкостью по сравнению с двухатомным газом - азотом .

В табл. 38 приведены средние объемные теплоемкости продуктов полного сгорания, не разбавленных воздухом, для различных интерва­лов температур.

Таблица 38

Значение средних теплоемкостей не разбавленных воздухом продуктов сго­рании топлива и воздуха в интервале температур от 0 до t °С

Теплоемкость продуктов сгорания, ккал/(мі ■ °С)

Теплоемкость, ккал/(мЗ. °С)

Природных, нефтяных, коксовых газов, жидкого топлива, каменных углей, антрацита

Дров, торфа, бурых углей, генераторного и доменного газов

Доменного газа

Увеличение содержания влаги в топливе повышает теплоемкость продуктов сгорания вследствие повышения содержания в них водяного пара в том же температурном интервале, по сравнению с теплоемко­стью продуктов сгорания топлива с меньшим содержанием влаги, и одновременно с этим понижает температуру горения топлива вследст­вие увеличения объема продуктов сгорания за счет водяного пара.

С повышением содержания влаги в топливе увеличивается объемная теплоемкость продуктов сгорания в заданном температурном интервале и вместе с тем понижается температурный интервал от 0 до £тах вслед­ствие снижения величины <тах. ПОСКОЛЬКУ ТЄПЛОЄМКОСТЬ ГЭЗОВ уМвНЬ — шается с понижением температуры, теплоемкость продуктов сгорания топлива с различной влажностью в интервале температур от нуля до <тах для данного топлива претерпевает незначительные колебания (табл. 39). В соответствии с этим можно принять теплоемкость про­дуктов сгорания всех видов твердого топлива от 0 до tmax равной 0,405, жидкого топлива 0,401, природного, доменного и генераторного газов 0,400 ккал/(м3-°С).

Это позволяет значительно упростить определение калориметриче — ской и расчетной температур горения (по методике, изложенной в гл. VII). Допускаемая при этом погрешность обычно не превышает 1%, или 20°.

Из рассмотрения кривых 4 и 5 на рис. 5 видно, что отношения тепло — емкостей продуктов полного сгорания углерода в стехиометрическом объеме воздуха в интервале температур от 0 до t°С, например от 0 до

Теплоемкость продуктов сгорания от 0 до t’mayL различных видов твердого топлива с содержанием от 0 до 40% влаги, в стехиометрическом объеме воздуха

Низшая теплота

Жаро — производи­

Теплоем­кость про­дуктов го­рения от О

«о’шах ккал/(м» °С)

Сгорания, ккал/кг

Тельность,

T’ °С ‘max- ^

Антрацит донецкий

Полуантрацит егоршинский ПА

Горючая масса

Рабочее топливо

Каменный уголь

Донецкий

Тощий Т, горючая масса

Тощий Т, рабочее топливо

Паровичный жирный, ПЖ

Газовый Г

Длиннопламенный Д

Промпродукт ПП

Кузнецкий

Анжеро-судженский паровичный спекающийся ПС

Ленинский газовый Г

Прокопьевский слабо спекающийся СС

Карагандинский

Паровичный жирный и паровичный спекающийся ПЖ/ПС

Кизеловский паровичный жирный ПЖ

Воркутинский паровичный жирный ПЖ

Г1 кварчельский (ГССР)

Паровичный жириый ПЖ

Промпродукт ПП

Тквибульский (ГССР) газовый Г

Ко. к-Янгакский (КиргССР) газовый Г

Бурый уголь

Челябинский

Богословский

Подмосковный

Кусковой

Фрезерный

200 и от 0 до 2100 °С практически равны отношению теплоємкостей про­дуктов сгорания водорода в тех же температурных интервалах. Указан­ное отношение теплоемкостей С’ остается практически постоянным и для продуктов полного сгорания различных видов топлива в стехиомет — рическом объеме воздуха .

В табл. 40 приведены отношения теплоемкостей продуктов полного сгорания топлива с малым содержанием балласта, переходящего в га­зообразные продукты сгорания (антрацит, кокс, каменные угли, жидкое топливо, природные, нефтяные, коксовые газы и т. д.) в интервале тем­ператур от 0 до t °С и в интервале температур от 0 до 2100 °С. Посколь­ку жаропроизводительность этих видов топлива близка к 2100 °С, ука­занное соотношение теплоемкостей С’ равно отношению теплоемкостей в интервале температур от 0 до t и от 0 до tm&x-

В табл. 40 приведены также значения величины С’, подсчитанные для продуктов сгорания топлива с высоким содержанием балласта, переходящего при сжигании топлива в газообразные продукты сгора­ния, т. е. влаги в твердом топливе, азота и двуокиси углерода в газо­образном. Жаропроизводительность указанных видов топлива (дрова, торф, бурые угли, смешанный генераторный, воздушный и доменный газы) равна 1600-1700 °С.

Таблица 40

Отношения теплоемкостей продуктов сгорания С’ и воздуха К в температурном интервале от 0 до t °С к теплоемкости продуктов сгорания от 0 до (щах

Темпе­ратура

Топливо с пони­женной жаропро — нзводительностью

Темпе­ратура

Топливо с высокой жаропроизводитель — ностью

Топливо с пони­женной жаропроиз — воднтельиостью

Как видно из табл. 40, значения С’ и К мало различаются даже для продуктов сгорания топлива с разным содержанием балласта и жаро — производительностью.

Влажный воздух представляет собой смесь сухого воздуха и водяных паров. В ненасыщенном воздухе влага находится в состоянии перегретого пара, и поэтому свойства влажного воздуха приближенно можно описать законами идеальных газов.

Основными характеристиками влажного воздуха являются:

1. Абсолютная влажность g , определяющая количество водяных паров, содержащихся в 1 м 3 влажного воздуха. Водяной пар занимает весь объем смеси, поэтому абсолютная влажность воздуха равна массе 1 м 3 водяного пара или плотности пара , кг/м 3

2. Относительная влажность воздуха j выражается отношением абсолютной влажности воздуха к максимально возможной влажности его при том же давлении и температуре или отношением массы водяного пара, заключенной в 1 м 3 влажного воздуха, к массе водяного пара, необходимой для полного насыщения 1 м 3 влажного воздуха при тех же давлении и температуре.

Относительная влажность определяет степень насыщения воздуха влагой:

, (1.2)

где - парциальное давление водяного пара, соответствующее его плотности Па; - давление насыщенного пара при той же температуре, Па; - максимально возможное количество пара в 1 м 3 насыщенного влажного воздуха, кг/м 3 ; - плотность пара при его парциальном давлении и температуре влажного воздуха, кг/м 3 .

Соотношение (1.2) справедливо только тогда, когда можно считать, что пар жидкости является идеальным газом вплоть до состояния насыщения.

Плотность влажного воздуха r представляет собой сумму плотностей водяного пара и сухого воздуха при парциальных давлениях в 1 м 3 влажного воздуха при температуре влажного воздуха Т , К:

(1.3)

где - плотность сухого воздуха при его парциальном давлении в 1 м 3 влажного воздуха, кг/м 3 ; - парциальное давление сухого воздуха, Па; - газовая постоянная сухого воздуха, Дж/(кг×К).

Выражая и по уравнению состояния для воздуха и водяных паров, получаем

, (1.5)

где - массовый расход воздуха и водяного пара, кг/с.

Эти равенства действительны при одном и том же объеме V влажного воздуха и одной и той же температуре. Разделив второе равенство на первое, получим еще одно выражение для влагосодержания

. (1.6)

Подставив сюда значения газовых постоянных для воздуха Дж/(кг×К) и для водяного пара Дж/(кг×К), получим значение влагосодержания, выраженное в килограммах водяного пара на 1 кг сухого воздуха



. (1.7)

Заменив парциальное давление воздуха величиной , где из предыдущего и В – барометрическое давление воздуха в тех же единицах, что и р , получим для влажного воздуха, находящегося под барометрическим давлением

. (1.8)

Таким образом, при заданном барометрическом давлении влагосодержание воздуха зависит только от парциального давления водяного пара. Максимально возможное содержание влаги в воздухе , откуда

. (1.9)

Так как давление насыщения растет с температурой, то максимально возможное количество влаги, которое может содержаться в воздухе, зависит от его температуры, причем тем больше, чем выше температура. Если уравнения (1.7) и (1.8) решить относительно и , то получим

(1.10)

. (1.11)

Объем влажного воздуха в кубических метрах, приходящийся на 1 кг сухого воздуха, вычисляется по формуле

(1.12)

Удельный объем влажного воздуха v , м 3 /кг, определяется делением объема влажного воздуха на массу смеси, приходящуюся на 1 кг сухого воздуха:

Влажный воздух как теплоноситель характеризуется энтальпией (в килоджоулях на 1 кг сухого воздуха), равной сумме энтальпий сухого воздуха и водяного пара

(1.14)

где - удельная теплоемкость сухого воздуха, кДж/(кг×К); t – температура воздуха, °С; i - энтальпия перегретого пара, кДж/кг.

Энтальпия 1 кг сухого насыщенного водяного пара при низких давлениях определяется по эмпирической формуле, кДж/кг:

где - постоянный коэффициент, примерно равный энтальпии пара при температуре 0 °С; = 1,97 кДж/(кг×К) – удельная теплоемкость пара.

Подставив значения i в выражение (1.14) и принимая удельную теплоемкость сухого воздуха постоянной и равной 1,0036 кДж/(кг×К), найдем энтальпию влажного воздуха в килоджоулях на 1 кг сухого воздуха:

Для определения параметров влажного газа используются аналогичные рассмотренным выше уравнения.

, (1.17)

где - газовая постоянная для исследуемого газа; Р - давление газа.

Энтальпия газа, кДж/кг,

где - удельная теплоемкость газа, кДж/(кг×К).

Абсолютное влагосодержание газа:

. (1.19)

При расчете контактных теплообменников для теплоносителей воздух-вода можно пользоваться данными табл. 1.1-1.2 или расчетными зависимостями для определения физико-химических параметров воздуха (1.24-1.34) и воды (1.35). Для дымовых газов могут быть использованы данные табл. 1.3.

Плотность влажного газа, кг/м 3:

, (1.20)

где - плотность сухого газа при 0 °С, кг/м 3 ; М г, М п – молекулярные массы газа и пара.

Коэффициент динамической вязкости влажного газа, Па×с:

, (1.21)

где - коэффициент динамической вязкости водяного пара, Па×с; - коэффициент динамической вязкости сухого газа, Па×с; - массовая концентрация пара, кг/кг.

Удельная теплоемкость влажного газа, кДж/(кг×К):

Коэффициент теплопроводности влажного газа, Вт/(м×К):

, (1.23)

где k – показатель адиабаты; В – коэффициент (для одноатомных газов В = 2,5; для двухатомных газов В = 1,9; для трехатомных газов В = 1,72).

Таблица 1.1. Физические свойства сухого воздуха (р = 0,101 МПа)

t , °C , кг/м 3 , кДж/(кг×К) , Вт/(м×К) , Па×с , м 2 /с Pr
-20 1,395 1,009 2,28 16,2 12,79 0,716
-10 1,342 1,009 2,36 16,7 12,43 0,712
1,293 1,005 2,44 17,2 13,28 0,707
1,247 1,005 2,51 17,6 14,16 0,705
1,205 1,005 2,59 18,1 15,06 0,703
1,165 1,005 2,67 18,6 16,00 0,701
1,128 1,005 2,76 19,1 16,96 0,699
1,093 1,005 2,83 19,6 17,95 0,698
1,060 1,005 2,90 20,1 18,97 0,696
1,029 1,009 2,96 20,6 20,02 0,694
1,000 1,009 3,05 21,1 21,09 0,692
0,972 1,009 3,13 21,5 22,10 0,690
0,946 1,009 3,21 21,9 23,13 0,688
0,898 1,009 3,34 22,8 25,45 0,686
0,854 1,013 3,49 23,7 27,80 0,684
0,815 1,017 3,64 24,5 30,09 0,682
0,779 1,022 3,78 25,3 32,49 0,681
0,746 1,026 3,93 26,0 34,85 0,680
0,674 1,038 4,27 27,4 40,61 0,677
0,615 1,047 4,60 29,7 48,33 0,674
0,566 1,059 4,91 31,4 55,46 0,676
0,524 1,068 5,21 33,6 63,09 0,678
0,456 1,093 5,74 36,2 79,38 0,687
0,404 1,114 6,22 39,1 96,89 0,699
0,362 1,135 6,71 41,8 115,4 0,706
0,329 1,156 7,18 44,3 134,8 0,713
0,301 1,172 7,63 46,7 155,1 0,717
0,277 1,185 8,07 49,0 177,1 0,719
0,257 1,197 8,50 51,2 199,3 0,722
0,239 1,210 9,15 53,5 233,7 0,724

Теплофизические свойства сухого воздуха могут быть аппроксимированы следующими уравнениями.

Кинематическая вязкость сухого воздуха при температуре от -20 до +140 °С, м 2 /с:

Па; (1.24)

и от 140 до 400 °С, м 2 /с:

. (1.25)

Таблица 1.2. Физические свойства воды в состоянии насыщения

t , °C , кг/м 3 , кДж/(кг×К) , Вт/(м×К) , м 2 /с , Н/м Pr
999,9 4,212 55,1 1,789 -0,63 756,4 13,67
999,7 4,191 57,4 1,306 0,7 741,6 9,52
998,2 4,183 59,9 1,006 1,82 726,9 7,02
995,7 4,174 61,8 0,805 3,21 712,2 5,42
992,2 4,174 63,5 0,659 3,87 696,5 4,31
988,1 4,174 64,8 0,556 4,49 676,9 3,54
983,2 4,179 65,9 0,478 5,11 662,2 2,98
977,8 4,187 66,8 0,415 5,70 643,5 2,55
971,8 4,195 67,4 0,365 6,32 625,9 2,21
965,3 4,208 68,0 0,326 6,95 607,2 1,95
958,4 4,220 68,3 0,295 7,52 588,6 1,75
951,0 4,233 68,5 0,272 8,08 569,0 1,60
943,1 4,250 68,6 0,252 8,64 548,4 1,47
934,8 4,266 68,6 0,233 9,19 528,8 1,36
926,1 4,287 68,5 0,217 9,72 507,2 1,26
917,0 4,313 68,4 0,203 10,3 486,6 1,17
907,4 4,346 68,3 0,191 10,7 466,0 1,10
897,3 4,380 67,9 0,181 11,3 443,4 1,05
886,9 4,417 67,4 0,173 11,9 422,8 1,00
876,0 4,459 67,0 0,165 12,6 400,2 0,96
863,0 4,505 66,3 0,158 13,3 376,7 0,93

Плотность влажного газа, кг/м 3.

2. тепло, уносимое уходящими газами. Определим теплоемкость дымовых газов при tух =8000С;

3. потери тепла через кладку теплопроводностью.

Потери через свод

Толщина свода 0,3 м, материал шамот. Принимаем, что температура внутренней поверхности свода равна температуре газов.

Средняя температура в печи:

По этой температуре выбираем коэффициент теплопроводности шамотного материала:

Таким образом, потери через свод составляют:

где α – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стен к окружающему воздуху, равный 71,2 кДж/(м2*ч*0С)

Потери через стены. Кладка стен выполнена двухслойной (шамот 345 мм, диатомит 115 мм)

Площадь стен, м2:

Методической зоны

Сварочной зоны

Томильной зоны

Торцевых

Полная площадь стен 162,73 м2

При линейном распределении температуры по толщине стены средняя температура шамота будет равна 5500С, а диатомита 1500С.

Следовательно.

Полные потери через кладку

4. Потери тепла с охлаждающей водой по практическим данным принимаем равным 10% Qх прихода, то есть Qх+Qр

5. Неучтенные потери принимаем в размере 15% Q прихода тепла

Составим уравнение теплового баланса печи

Тепловой баланс печи сведем в табл.1; 2

Таблица 1

Таблица 2

Расход кДж/ч %

Тепло затрачиваемое на нагрев металла

 53

тепло уходящих газов

 26

потери через кладку

 1,9

потери с охлаждающей водой

 6,7

неучтенные потери

 10,6

Итого:

100

Удельный расход тепла на нагрев 1 кг металла составит


Выбор и расчет горелок

Принимаем, что в печи установлены горелки типа «труба в трубе».

В сварочных зонах 16 штук, в томильной 4шт. общее количество горелок 20шт. Определим расчетное количество воздуха приходящее на одну горелку.

Vв - часовой расход воздуха;

ТВ - 400+273=673 К - температура подогрева воздуха;

N – количество горелок.

Давление воздуха перед горелкой принимаем 2,0 кПа. Следует что, требуемый расход воздуха обеспечивает горелка ДБВ 225.

Определим расчетное количество газа на одну горелку;

VГ =В=2667 часовой расход топлива;

ТГ =50+273=323 К - температура газа;

N – количество горелок.

8. Расчет рекуператора

Для подогрева воздуха проектируем металлический петлевой рекуператор из труб диаметром 57/49,5 мм с коридорным расположением их шагом

Исходные данные для расчета:

Часовой расход топлива В=2667 кДж/ч;

Расход воздуха на 1 м3 топлива Lα = 13,08 м3/м3;

Количество продуктов сгорания от 1 м3 горючего газа Vα =13,89 м3/м3;

Температура подогрева воздуха tв = 4000С;

Температура уходящих газов из печи tух=8000С.

Часовой расход воздуха:

Часовой выход дыма:

Часовое количество дыма, проходящего через рекуператор с учетом потерь дыма на выбивание и через обводной шибер и подсоса воздуха.

Коэффициент m, учитывая потери дыма, принимаем 0,7.

Коэффициент , учитывающий подсос воздуха в боровах, примем 0,1.

Температура дыма перед рекуператором с учетом подсоса воздуха;

где iух – теплосодержание уходящих газов при tух=8000С

Этому теплосодержанию соответствует температура дыма tД=7500С. (см. Рис.67(3))

Теплофизические свойства газообразных продуктов горения, необходимые для расчетов зависимости различных параметров от температуры данной газовой среды, могут быть установлены на основе приведенных в таблице значений. В частности, указанные зависимости для теплоемкости получены в виде:

C psm = а -1/ d ,

где a = 1,3615803; b = 7,0065648; c = 0,0053034712; d = 20,761095;

C psm = a + bT sm + cT 2 sm ,

где a = 0,94426057; b = 0,00035133267; c = -0,0000000539.

Первая зависимость является предпочтительной по точности аппроксимации, вторая зависимость может быть принята для проведения расчетов меньшей точности.

Физические параметры дымовых газов
(при Р = 0,0981 МПа; р СО2 = 0,13; p H2О = 0,11; р N2 = 0,76 )

t , °С γ, Н · м -3 с р , Вт(м 2 · °С) -1 λ · 10 2 , Вт(м · К) -1 а · 10 6 , м 2 · с -1 μ · 10 6 , Па · с v · 10 6 , м 2 · с -1 Pr
12,704 1,04 2,28 16,89 15,78 12,20 0,72
9,320 1,07 3,13 30,83 20,39 21,54 0,69
7,338 1,10 4,01 48,89 24,50 32,80 0,67
6,053 1,12 4,84 69,89 28,23 45,81 0,65
5,150 1,15 5,70 94,28 31,69 60,38 0,64
4,483 1,18 6,56 121,14 34,85 76,30 0,63
3,973 1,21 7,42 150,89 37,87 93,61 0,62
3,561 1,24 8,27 183,81 40,69 112,10 0,61
3,237 1,26 9,15 219,69 43,38 131,80 0,60
2,953 1,29 10,01 257,97 45,91 152,50 0,59
2,698 1,31 10,90 303,36 48,36 174,30 0,58
2,521 1,32 11,75 345,47 40,90 197,10 0,57
2,354 1,34 12,62 392,42 52,99 221,00 0,56

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

(справочное )

Воздухо- и дымопроницаемость воздуховодов и клапанов

1. Для определения утечек или подсосов воздуха применительно к вентиляционным каналам противодымных систем могут быть использованы следующие формулы, полученные аппроксимацией табличных данных :

для воздуховодов класса Н (в диапазоне давлений 0,2 - 1,4 кПа): ΔL = а (Р - b ) с , где ΔL - подсосы (утечки) воздуха, м 3 /м 2 · ч; Р - давление, кПа; а = 10,752331; b = 0,0069397038; с = 0,66419906;

для воздуховодов класса П (в диапазоне давлений 0,2 - 5,0 кПа): где а = 0,00913545; b = -3,1647682 · 10 8 ; с = -1,2724412 · 10 9 ; d = 0,68424233.

2. Для противопожарных нормально закрытых клапанов числовые значения удельной характеристики сопротивления дымогазопроницанию в зависимости от температуры газа соответствуют данным, полученным при стендовых огневых испытаниях различных изделий на экспериментальной базе ВНИИПО:

1. Общие положения. 2 2. Исходные данные. 3 3. Вытяжная противодымная вентиляция. 4 3.1. Удаление продуктов горения непосредственно из горящего помещения. 4 3.2. Удаление продуктов горения из смежных с горящим помещений. 7 4. Приточная противодымная вентиляция. 9 4.1. Подача воздуха в лестничные клетки. 9 4.2. Подача воздуха в лифтовые шахты.. 14 4.3. Подача воздуха в тамбур-шлюзы.. 16 4.4. Компенсирующая подача воздуха. 17 5. Технические характеристики оборудования. 17 5.1. Оборудование систем вытяжной противодымной вентиляции. 17 5.2. Оборудование систем приточной противодымной вентиляции. 21 6. Режимы управления при пожаре. 21 Список литературы.. 22 Приложение 1. Определение основных параметров пожарной нагрузки помещений. 22 Приложение 2. Теплофизические свойства дымовых газов. 24 Приложение 3. Воздухо- и дымопроницаемость воздуховодов и клапанов. 25